美國(guó)“天空衛(wèi)星”技術(shù)探析

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星的發(fā)展已有幾十年的歷史，軍用光學(xué)成像偵察衛(wèi)星已從膠片返回型發(fā)展到傳輸型，分辨率高達(dá)0.1m。美國(guó)20世紀(jì)末開始發(fā)射高分辨率商業(yè)光學(xué)成像衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量多在2～3t，單星成本約4億美元，采用敏捷型衛(wèi)星平臺(tái)，不但能進(jìn)行全色和多光譜觀測(cè)，還能夠進(jìn)行大比例尺的測(cè)繪，目前分辨率達(dá)到0.31m。然而這些衛(wèi)星造價(jià)昂貴，幾顆大型商業(yè)衛(wèi)星即使組成星座，時(shí)間分辨率也不高。隨著光機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步和宇航器件的小型化，以及對(duì)觀測(cè)時(shí)間分辨率需求的提升，近3年，美國(guó)商業(yè)光學(xué)成像小微衛(wèi)星星座開始涌現(xiàn)，其中，高分辨率小微商業(yè)星座目前只有美國(guó)天空盒子成像公司（Skybox Imaging）發(fā)展的“天空衛(wèi)星”（Skysat）。天空衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)造了多個(gè)世界第一，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 天空盒子成像公司概況

天空盒子成像公司是一家來(lái)自硅谷的創(chuàng)業(yè)公司，堪稱為一家“互聯(lián)網(wǎng)+”型企業(yè)。將互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、高時(shí)效性的高分辨率圖像和高保真衛(wèi)星視頻影像這些創(chuàng)新概念相結(jié)合，使該公司在商業(yè)遙感衛(wèi)星市場(chǎng)上占有了一席之地。為了大規(guī)模批量制造“天空衛(wèi)星”，并推進(jìn)全球數(shù)據(jù)分發(fā)，2014年2月，天空盒子成像公司與美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）簽訂了衛(wèi)星制造合同。根據(jù)合同要求，勞拉空間系統(tǒng)公司將制造首批13顆“天空衛(wèi)星”。互聯(lián)網(wǎng)搜索巨頭谷歌公司為了擴(kuò)展業(yè)務(wù)，于2014年6月收購(gòu)了天空盒子成像公司。

除了商業(yè)巨頭看重天空盒子成像公司外，美國(guó)軍方也將目光投向以天空盒子成像公司為代表的新興商業(yè)衛(wèi)星圖像公司。2015年5月，美國(guó)地理空間情報(bào)局（NGA）在美國(guó)聯(lián)邦商業(yè)機(jī)遇網(wǎng)站（Federal Business Opportunities）上發(fā)布信息請(qǐng)求書（RFI），該文件指出，情報(bào)局正在考慮創(chuàng)新或非傳統(tǒng)解決方案，以滿足其對(duì)商業(yè)地理空間情報(bào)能力的需求，天空盒子成像公司有望于2017年成為該情報(bào)局的服務(wù)提供商。

2 “天空衛(wèi)星”部署情況與技術(shù)初探

衛(wèi)星發(fā)射和衛(wèi)星指標(biāo)基本情況

2013年11月21日和2014年7月8日美國(guó)分別成功發(fā)射了天空衛(wèi)星－1和天空衛(wèi)星－2。天空盒子成像公司還計(jì)劃于2016年底前發(fā)射13顆勞拉空間系統(tǒng)公司制造的“天空衛(wèi)星”，屆時(shí)衛(wèi)星總數(shù)量將達(dá)到16顆。計(jì)劃2020前，最終建成由24顆衛(wèi)星組成的星座，星座重訪時(shí)間優(yōu)于3h。“天空衛(wèi)星”首星成本為5000萬(wàn)美元，而一顆傳統(tǒng)的甚高分辨率衛(wèi)星，如世界觀測(cè)-2（WorldView-2）的成本約4億美元。隨著“天空衛(wèi)星”批量化生產(chǎn)，單星成本有望降低至2000萬(wàn)美元。

“天空衛(wèi)星”三維模型圖

“天空衛(wèi)星”系列采用了低成本設(shè)計(jì)方案，開創(chuàng)了亞米級(jí)分辨率低成本衛(wèi)星的先河。在技術(shù)上，“天空衛(wèi)星”創(chuàng)造了多個(gè)第一，世界上首個(gè)亞米級(jí)分辨率微衛(wèi)星（質(zhì)量約100kg），首個(gè)采用大面陣“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”（CMOS）探測(cè)器的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，首個(gè)使用延時(shí)積分互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（TDI CMOS）技術(shù)的衛(wèi)星，首個(gè)全幀速率高清視頻衛(wèi)星。此外，“天空衛(wèi)星”是天地一體設(shè)計(jì)的典型代表，地面圖像處理極大地補(bǔ)償了星上成像系統(tǒng)的不足。

“天空衛(wèi)星”質(zhì)量約91kg，運(yùn)行在高600km的太陽(yáng)同步軌道，采用由碳化硅（SiC）制造的里奇-克萊琴（R-C）反射光學(xué)成像系統(tǒng)。天空衛(wèi)星－1在成像模式工作時(shí)，全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km；視頻模式工作時(shí)，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，覆蓋2km×1.1km。視頻30幀/秒，單次能夠持續(xù)拍攝90s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。

衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

“天空衛(wèi)星”采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和新型成像器件，注重天地一體化設(shè)計(jì)，使成本大幅度降低，并最大限度地發(fā)揮出系統(tǒng)的性能。具體技術(shù)特點(diǎn)如下所列。

（1）使用高幀速率互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體面陣探測(cè)器，降低平臺(tái)指向穩(wěn)定度要求，實(shí)現(xiàn)低成本

傳統(tǒng)的高分辨率成像系統(tǒng)使用延時(shí)積分電荷耦合器件（CCD）陣列，使其能夠收集足夠的光能實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。電荷耦合器件的設(shè)計(jì)通常在數(shù)毫秒內(nèi)收集足夠的光電子，以避免圖像模糊。但該器件要求衛(wèi)星平臺(tái)的穩(wěn)定度極高。例如，在600km軌道運(yùn)行的衛(wèi)星達(dá)到1m地面采樣距離，要求其瞬時(shí)視場(chǎng)為1.66μrad，在4ms的總的延時(shí)積分時(shí)間內(nèi)，使指向精度保持0.5個(gè)像元，要求平臺(tái)指向穩(wěn)定度為70rad/s (rms) 。此外，延時(shí)積分電荷耦合器件通常為定制產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。

假設(shè)600km軌道的成像衛(wèi)星達(dá)到1m分辨率對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定度的要求

焦平面由3塊互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器拼接

而“天空衛(wèi)星”采用高幀速率互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體面陣探測(cè)器，每幀曝光時(shí)間短于延時(shí)積分電荷耦合器件。盡管互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器每幀圖像的信噪比與延時(shí)積分電荷耦合器件相比低很多，但幀速率高，從而過(guò)頂時(shí)可拍攝同一地區(qū)的多幀圖像，通過(guò)地面圖像處理，大幅度提高信噪比（SNR），這稱為“地面延時(shí)積分互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”處理。“天空衛(wèi)星”一幅原始圖像曝光時(shí)間約處于400μs量級(jí)，短曝光時(shí)間放松了平臺(tái)姿軌控系統(tǒng)穩(wěn)定度需求，約為700rad/s，降低了平臺(tái)研制成本。

（2）地面圖像處理提升圖像質(zhì)量

地面圖像處理在“天空衛(wèi)星”成像過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。“天空衛(wèi)星”的600km高運(yùn)行軌道、0.35m成像系統(tǒng)口徑、f/10.4相對(duì)孔徑以及探測(cè)器像元尺寸比一般延時(shí)積分電荷耦合器件大20%的指標(biāo)使其物理分辨率為1.3m。利用以超分辨率處理為主要方法的地面圖像處理技術(shù)，使“天空衛(wèi)星”的1.3m物理分辨率提升到0.9m的亞米級(jí)分辨率水平。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體面陣探測(cè)器和地面處理軟件

“天空衛(wèi)星”地面圖像處理流程

左圖為經(jīng)超分辨率處理成全色圖像的原始圖像；右圖為約20幀原始圖像

“天空衛(wèi)星”地面圖像處理流程包括預(yù)處理、幀對(duì)幀配準(zhǔn)、超分辨率算法處理等。超分辨率處理的機(jī)理是通過(guò)多幅圖像疊加處理，提高信噪比，進(jìn)而提高分辨率。幀對(duì)幀配準(zhǔn)用于計(jì)算透視變化，超分辨率算法完善運(yùn)動(dòng)估計(jì)，最終使分辨率優(yōu)化20%。地面圖像處理過(guò)程的輸入為原始圖像數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)，輸出為全色圖像、多光譜圖像、全色銳化圖像、紅綠藍(lán)圖像和視頻等一系列產(chǎn)品。上述圖像產(chǎn)品均為結(jié)合幾何信息的重建后的高質(zhì)量圖像。

超分辨率處理的前提是幀對(duì)幀運(yùn)動(dòng)的高精度估計(jì)，而幀對(duì)幀配準(zhǔn)算法可提供這一結(jié)果。簡(jiǎn)單來(lái)講，運(yùn)動(dòng)估計(jì)就是去尋求低分辨率圖像之間的偏移關(guān)系，即求出在兩幀圖像中同一對(duì)象的位置差，通過(guò)分析各分量圖像上的幾何畸變，估計(jì)出相對(duì)位移以及相對(duì)轉(zhuǎn)角等相對(duì)位置參數(shù)，然后使用一種幾何變換將圖像歸到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，其最終目的就是將所有的低分辨率圖像幀上的像素映射到一個(gè)共同參考幀上，從而實(shí)現(xiàn)圖像的細(xì)節(jié)恢復(fù)。幀對(duì)幀配準(zhǔn)算法使用相位相關(guān)窗口的密集矩陣計(jì)算本地運(yùn)動(dòng)矢量。同時(shí)，幀間配準(zhǔn)結(jié)合誤差分析使“天空衛(wèi)星”的目標(biāo)高度角低至35°。

超分辨率算法進(jìn)一步完善運(yùn)動(dòng)估計(jì)，使估計(jì)量達(dá)到亞像元水平，然后進(jìn)行優(yōu)化，以從低分辨率的原始圖像中重建高分辨率全色圖像產(chǎn)品。優(yōu)化算法通過(guò)多幀圖像，計(jì)算噪聲的平均值。同時(shí)，超分辨率算法與一個(gè)基于遙感器點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的模型去卷積算法一并工作。原始圖像經(jīng)超分辨率處理后的全色圖像在信噪比和調(diào)制傳遞函數(shù)方面提升明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

“天空衛(wèi)星”在綜合性能上創(chuàng)造了多個(gè)世界第一，同時(shí)，“天空衛(wèi)星”貫徹了低成本設(shè)計(jì)理念，為中國(guó)大規(guī)模發(fā)展商業(yè)化的小型高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星提供了借鑒。首先，采用商業(yè)現(xiàn)貨降低了成本，其高幀速率互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像探測(cè)器采用了商業(yè)現(xiàn)貨，比定制探測(cè)器成本低；其次，采用先進(jìn)的地面圖像處理技術(shù)提高分辨率，節(jié)省了空間相機(jī)研制成本；最后，高幀速率面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器的使用降低了衛(wèi)星平臺(tái)穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而降低了衛(wèi)星平臺(tái)成本。